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網膜の活動電位応答タイミングに関わるメゾ神経回路-脳型人工視覚による仮想実験解析

公募研究

研究領域メゾスコピック神経回路から探る脳の情報処理基盤
研究課題/領域番号 25115722
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 生物系
研究機関大阪大学

研究代表者

八木 哲也  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50183976)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
研究課題ステータス 完了 (2014年度)
配分額 *注記
3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
2014年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2013年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
キーワード網膜 / シミュレーション / 人工網膜 / 自然画像処理 / 眼球運動 / ロボットビジョン / シリコン網膜 / アマクリン細胞 / 視神経 / 一過性応答 / スパイクタイミング / マシンビジョン
研究実績の概要

網膜の機能と構造は、自然状態と異なる網膜試料や光刺激を用いた生理学実験から類推されている。本研究の目的は、過去の生理学知見から網膜の基本的メゾ神経回路の構造を再現した人工眼を構築し、この人工眼を用いて自然視覚環境における網膜機能を、実時間シミュレーション解析することであった。解析は、同時に実施した剥離網膜実験の結果を参照しながらを行い、特に視神経の活動電位の時間パターンやタイミングが、自然画像のどのような特徴をコードしているかに注目しながら行った。人工眼の構築では、本研究室で開発した128x128ピクセルの脳型人工網膜を応用し、高速フレームサンプリングおよびFPGAを用いた準並列計算により、視神経のスパイク発火タイミングを、数ミリ秒の精度で計算が可能な脳型人工網膜を完成させた。この人工網膜は、網膜の視神経以外の緩電位応答波形をアナログ集積回路(シリコン網膜)とFPGAを用いて計算し、かつ神経節細胞の活動電位のタイミングを画像サンプリング間隔データを補完する形で2ミリ秒程度の揺らぎ精度で再現する。脳型人工網膜の回路パラメータを決定するために、剥離網膜を用いた生理学実験も行った。人工網膜を用いて動的な自然画像を実時間処理し、入力画像と人工網膜の各細胞の応答を直接比較する実験を行なった。また人工網膜の出力を、超並列神経回路シミュレータ、SpiNNakerに接続し、一次視覚野応答も再現できるようにした。この上で人工網膜を、眼球運動制御装置に組み込み、眼球運動下での網膜細胞応答を予測する実験を行った。これらの実験から、網膜内網状層にはサッカードなどの急速眼球運動に伴う過去の画像の”残像”を打ち消すために、水平方向に一過性の強い非線形抑制が必要であることが示唆された。さらにこの人工網膜を、実時間で画像中の特徴量を追跡するロボットビジョンへ応用した。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2014 実績報告書
  • 2013 実績報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2016 2015 2014 2013

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (8件)

  • [雑誌論文] Population response propagation to extrastriate areas evoked by intracortical electrical stimulation in V12016

    • 著者名/発表者名
      T.D. Fehervari, T. Yagi
    • 雑誌名

      Frontiers in Neural Circuits

      巻: VOL. 10 ページ: 1-14

    • DOI

      10.3389/fncir.2016.00006

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] In vivo voltage-sensitive dye study of lateral spreading of cortical activity in mouse primary visual cortex induced by a current impulse2015

    • 著者名/発表者名
      T.D. Fehervari, Y. Okazaki, H. Sawai and T. Yagi
    • 雑誌名

      PLOS ONE

      巻: VOL. 10 号: 7 ページ: 1-24

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0133853

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Real-Time Emulator for Reproducing Graded Potentials in Vertebrate Retina2015

    • 著者名/発表者名
      奥野弘嗣,長谷川潤,八木哲也
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on biomedical circuits and systems

      巻: 印刷中 号: 2 ページ: 284-295

    • DOI

      10.1109/tbcas.2014.2327103

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] A vision sensor system with a real-time multi-scale filtering function2014

    • 著者名/発表者名
      S. Yasukawa, H. Okuno, S. Kameda, and T. Yagi
    • 雑誌名

      International Journal of Mechatronics and Automation

      巻: VOL. 4 号: 4 ページ: 248-258

    • DOI

      10.1504/ijma.2014.066367

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Real-time emulator for reproducing graded potentials in vertebrate retina2014

    • 著者名/発表者名
      H, Okuno, J. Hasegawa, T. Sanada and T.Yagi
    • 雑誌名

      IEEE transactions on biomedical circuits and systems

      巻: accepted

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] サンショウウオ網膜におけるスパイク発火潜時による明暗符号化に関するシ ミュレーション解析2015

    • 著者名/発表者名
      工藤 有華、林田 祐樹、石田 椋也、 山内 翔太、奥野  弘嗣、八木 哲也
    • 学会等名
      MEとバイオサイバネティックス研究会
    • 発表場所
      大阪電気通信大学(大阪府)
    • 年月日
      2015-10-25
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] マウス網膜神経節細胞の線形特性に関する実験解析2015

    • 著者名/発表者名
      鳴戸 夕貴、八木 哲也、林田 祐樹
    • 学会等名
      MEとバイオサイバネティックス研究会
    • 発表場所
      熊本大学(熊本県)
    • 年月日
      2015-01-22
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] マウス大脳視覚野における多点電極刺激に対する時空間神経応答のin-vivoイ メージング解析2015

    • 著者名/発表者名
      高谷 光基、林田 祐樹、竹内 浩造、山口 俊平、岡崎 祐香、八木 哲也
    • 学会等名
      MEとバイオサイバネティックス研究会
    • 発表場所
      熊本大学(熊本県)
    • 年月日
      2015-01-22
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] A real-time simulator of a biological visual system composed of a silicon retina and SpiNNaker chips2014

    • 著者名/発表者名
      H. Okuno, T. Kawasetsu, L. A. Plana, S. B. Furber, and T. Yagi
    • 学会等名
      The International Symposium on Artificial Life and Robotics 2014
    • 発表場所
      Beppu
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Mixed analog-digital architecture for emulating biological visual systems2014

    • 著者名/発表者名
      H. Okuno, T. Sanada, J. Hasegawa, T. Kawasetsu, T. Yagi
    • 学会等名
      The 1st International Symposium on Neuromorphic and Nonlinear Engineering
    • 発表場所
      Tokyo
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] A real-time emulation system for reconstructing spike activities of the retinal ganglion cells2013

    • 著者名/発表者名
      H.Okuno,J.Hasegawa,andT.Yagi
    • 学会等名
      Neuro 2013
    • 発表場所
      Kyoto
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] High-Speed Multiple Spatial Band-Pass Filtering using a Resistive Network2013

    • 著者名/発表者名
      S. Yasukawa, H. Okuno, S. Kameda, T. Yagi
    • 学会等名
      ICMA 2013
    • 発表場所
      Kagawa
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Hardware implementation of retinal spike dynamics based on a physiological model2013

    • 著者名/発表者名
      石田椋也,奥野弘嗣, 林田祐樹,曺亨誠,長谷川潤,八木哲也
    • 学会等名
      ライフエンジニアリング部門シンポジウム2013
    • 発表場所
      日吉
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書

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公開日: 2013-05-15   更新日: 2019-07-29  

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